Vergelyking Ossillator: Wat is dit? (En Hoe Werk Dit?)

Veld: Basiese Elektriese

China

Wat is 'n Ontspanningsosiller?

'n Ontspanningsosiller word gedefinieer as 'n nie-liniêre elektroniese osillatorsirkel wat 'n nie-sinusvormige herhalende uitvoersignaal kan genereer. 'n Ontspanningsosiller is deur Henri Abraham en Eugene Bloch met die gebruik van 'n vakuumbuise tydens die Eerste Wêreldoorlog uitgevind.

Osillators word in twee verskillende kategorieë ingedeel; liniêre osillators (vir sinusvormige golfvorms) en ontspanningsosillators (vir nie-sinusvormige golfvorms).

Dit moet 'n herhalende en periodieke signaal vir nie-sinusvormige golfvorms soos driehoekige, vierkantige, en reghoekige golwe by sy uitset lewer.

Die ontwerp van die ontspanningsosiller moet nie-liniêre elemente insluit soos die transistor, Op-Amp, of MOSFET en energie-opslagtoestelle soos kapasiteur en spul.

Om 'n siklus te produseer, laai en ontlaa die kapasiteur en spul kontinu. En die frekwensie van die siklus of periode van osillasie hang af van die tydkonstante.

Hoe werk 'n ontspanningsosiller?

Die ontspanningsosiller bevat energie-opslagtoestelle soos 'n kapasiteur en spul. Hierdie toestelle word deur 'n bron opgelaa en ontlaa deur 'n belasting.

Die vorm van die uitvoergolfvorm van die ontspanningsosiller hang af van die tydkonstante van die sirkel.

Laat ons die werking van die ontspanningsosillators verstaan met 'n voorbeeld.

rc relaxation oscillator — RC Ontspanningsosiller

Hier word 'n kondensator tussen 'n lamp en 'n batterij geplaas. Hierdie stroombaan staan ook bekend as die flitsersirkel of RC-ontspanningsosillator.

'n Batterij laai die kondensator deur die weerstand. Tydens die oplaai van die kondensator bly die lamp in die UIT-toestand.

Wanneer die kondensator sy drempelwaarde bereik, ontlaaide hy deur die lamp. Dus, tydens die ontlading van die kondensator, gloei die lamp.

Wanneer die kondensator ontlaaide, begin dit weer deur die bron te laai. En die lamp bly UIT.

Dus, die proses van oplaai en ontlading van die kondensator is kontinu en periodies.

Die oplaaityd van die kondensator word bepaal deur die tydskonstante. En die tydskonstante hang af van die waarde van die weerstand en kondensator vir die RC-sirkel.

Daarom word die flitskoers van die lamp bepaal deur die waarde van die weerstand en kondensator.

Die golfvorms oor die lamp is soos in die figuur hieronder getoon.

rc relaxation oscillator waveform — RC-ontspanningsosillator golfvorm

Om die uitvoergolfvorm te beheer, word nie-lineêre elemente in die sirkel gebruik.

Ontspanningsosillator sirkel diagram

Die ontspanningsosillator sirkel diagram bevat 'n nie-lineêre toestel om verskillende tipes uitvoergolfvorms te genereer. Volgens die gebruik van nie-lineêre toestelle, word die ontspanningsosillator in drie tipes sirkel-diagramme geklassifiseer.

Op-Amp Relaxatie Ossillator

'n Op-Amp relaxatie ossillator word ook bekend as 'n astabile multivibrator. Dit word gebruik om vierkantegolwe te genereer. Die skema van die Op-Amp relaxatie ossillator is in die onderstaande figuur getoon.

op amp relaxation oscillator — Op-Amp Relaxatie Ossillator

Hierdie skema bevat 'n kondensator, weerstande, en 'n Op-Amp.

Die nie-invertende terminal van die Op-Amp is met 'n RC-sirkel verbonden. Dus, die kondensator-spanning VC is dieselfde as die spanning by die nie-invertende terminal V- van die Op-Amp. En die invertende terminal is met die weerstande verbonden.

Wanneer die Op-Amp met positiewe terugvoer gebruik word, soos in die skemas getoon, word die sirkel bekend as die Schmitt trigger.

Wanneer V+ groter is as V-, is die uitgangspanning +12V. En wanneer V- groter is as V+, is die uitgangspanning -12V.

Vir die beginvoorwaarde, by tyd t=0, veronderstel dat die kondensator volledig ontlad is. Dus, die spanning by die nie-invertende terminal is V-=0. En die spanning by die invertende terminals V+ is gelyk aan βVout.

$\beta = \frac{R_2}{R_2+R_3}$

Om die berekening eenvoudig te maak, neem ons aan dat R2 en R3 dieselfde is. So, β=2 en βVout=6V. So, die kondensator sal laai en ontlaa tot 6V.

$t=0; \quad V- = 0V; \quad V+=+6V; \quad V_{OUT}=+12V$

In hierdie toestand is V+ groter as V-. So, uitsetspanning Vout=+12V. En die kondensator begin laai.

Wanneer die kondensatorspanning groter is as 6V, is V- groter as V+. Daarom verander die uitsetspanning na -12V.

$V- > 6V, \quad V+=6V, \quad V_{OUT}=-12V$

Tydens hierdie toestand verander die spanningspolariteit van die inverterende terminal. So, V+=-6V.

Nou laai die kondensator af tot -6V. Wanneer die kondensatorspanning minder as -6V is, is V+ weer groter as V-.

$V+ = -6V; \quad V-<-6V, \quad V+>V-$

Dus, verander die uitvoerspanning weer van -12V na +12V. En weer begin die kondensator met oplaai.

So, die oplaai- en aflaaisiklus van die kondensator genereer 'n periodieke en herhalende vierkantsgolf by die uitvoerterminal, soos getoon in die figuur hieronder.

op amp relaxation oscillator waveform — Op-Amp Relaxatie-Osilleerder Golfform

Die frekwensie van die uitsetgolf hang af van die laai- en ontladingstyd van die kondensator. En die laai-ontladingstyd van die kondensator hang af van die tydskonstante van die RC-sirkel.

UJT Relaxation Oscillator

'n UJT (unijunction transistor) word as 'n skakeltoestel in die ontspanningsosillerateur gebruik. Die sirkeldiagram van die UJT-ontspanningsosillerateur word hieronder getoon.

Die emitterterminal van die UJT is met 'n weerstand en 'n kondensator verbonden.

Ons neem aan dat die kondensator aanvanklik ontlaaide is. Dus, is die spannings van die kondensator nul.

$V_C = 0$

In hierdie toestand bly die UJT UIT. En die kondensator begin laai deur die weerstand R volgens die vergelyking hieronder.

$V = V_0 (1-e^\frac{-t}{RC})$

Die kondensator laai voort totdat dit die maksimum gevoorsiende spanning VBB bereik.

Wanneer die spanning oor die kondensator groter is as die gevoorsiende spanning, word die UJT aangeskakel. Dan stopt die kondensator met laai en begin ontlad deur die weerstand R1.

Die kondensator ontlad voort totdat die kondensatorspanning die komvloerspanning (VV) van die UJT bereik. Daarna word die UJT afgeskakel en begin die kondensator weer met laai.

Dus, die proses van laai en ontlading van die kondensator genereer 'n zaagtandgolf oor die kondensator. En die spanning wat verskyn oor die weerstand R2 tydens ontlading van die kondensator en bly nul tydens laai van die kondensator.

Die spanninggolf oor die kondensator en weerstand R2 word in die onderstaande figuur gewys.

ujt relaxation oscillator waveform — UJT Relaxation Oscillator Waveform

Relaxatie Ossilator Frekwensie

Die frekwensie van die Ontspanningsosillator hang af van die laai- en ontladertyd van die kondensator. In die RC-sirkel, word die laai- en ontladertyd deurgee deur die tydkonstante.

Frekwensie van Op-Amp Ontspanningsosillator

In die Op-Amp ontspanningsosillator dra R1 en C1 by tot die frekwensie van osillasie. Daarom, vir 'n laer frekwensie osillasie, het ons 'n langer tyd nodig vir die laai- en ontlading van die kondensator. En vir 'n lang tyd van laai- en ontlading, moet ons 'n meer betekenisvolle R1 en C1 instel.

Gelykso, 'n kleiner waarde van R1 en C1 veroorsaak hoër frekwensie osillasie.

Maar, in die berekening van frekwensie, speel weerstanders R2 en R3 ook 'n belangrike rol. Omdat hierdie weerstanders die drempelspanning van die kondensator bepaal, en die kondensator sal oplaai tot hierdie spanningsvlak.

As die drempelspanning laer is, is die laaityd vinniger. Gelykso, as die drempelspanning hoër is, is die laaityd trager.

Daarom hang die osillasiefrekwensie af van die waarde van R1, R2, R3, en C1. En die Op-Amp ontspanningsosillator frekwensieformule is;

$f = \frac{1}{2 \times R_1 \times C_1 \times ln (\frac{1+k}{1-k})}$

Waar,

$k = \frac{R_2}{R_2+R_3}$

In die meeste toestande is R2 en R3 dieselfde om ontwerp en berekening makliker te maak.

$R_2 = R_3 = R$

$k = \frac{R}{2R} = \frac{1}{2}$

$f = \frac{1}{2 \times R_1 \times C_1 \times ln (\frac{1+\frac{1}{2} }{1-\frac{1}{2} })}$

$f = \frac{1}{2 \times R_1 \times C_1 \times ln (3)}$

$f = \frac{1}{2.2 \times R_1 \times C_1}$

Deur die waardes van R1 en C1 in te stel, kan ons die osillasiefrekwensie van die Op-Amp ontspanningsosillator vind.

Frekwensie van UJT Ontspanningsosillator

In die UJT ontspanningsosillator hang die frekwensie ook af van die RC-sirkel. Soos getoon in die sirkeldiagram van die UJT ontspanningsosillator, is weerstande R1 en R2 stroombeperkende weerstande. En die frekwensie van osillasie hang af van die weerstand R en kondensator C.

Die formule vir die frekwensie van die UJT ontspanningsosillator is;

$f = \frac{1}{RC ln(\frac{1}{1-n})}$

Waar;

n = Instrinsieke stand-by verhouding. En die waarde van n lê tussen 0.51 en 0.82.

$n = \frac{R_1}{R_1 + R_2}$

Die minimumspanning wat benodig word om die UJT aan te swit is

$V = n V_{BB} + V_D$

Waar,

VBB = voorspanning

VD = interne diode-val tussen emitter en basis-2 terminal

Die waarde van weerstand R beperk tot die volgende reeks.

$max = \frac{V_{BB}-V_P}{I_P} \quad min=\frac{V_{BB}-V_V}{I_V}$

Waar,

VP, IP = piekspanning en -stroom

VV, IV = dalspanning en -stroom

Differensiaalvergelyking van die ontspanningsosillerator

In die skakelkaart van die ontspanningsosillerator het weerstande R2 en R3 dieselfde waardes. So, volgens die spanningsdeelerreël:

$V_+ = \frac{V_{out}}{2}$

V– wordt verkry deur Ohm se wet en die differensiaalvergelyking van 'n kondensator;

$\frac{V_{out}-V_-}{R} = C \frac{dV_-}{dt}$

Daar is twee oplossings vir hierdie differensiaalvergelyking; spesifieke oplossing en homogene oplossing.

Vir 'n spesifieke oplossing, is V- 'n konstante. Veronderstel V– = A. Dus, die afgeleide van 'n konstante is nul,

$\frac{dV_-}{dt} = \frac{dA}{dt} = 0$

$\frac{A}{RC} = \frac{V_{out}}{RC}$

$V_{out} = A$

Vir 'n homogenee oplossing, gebruik die Laplace-transformasie van die volgende vergelyking:

$\frac{dV_-}{dt} +\frac{V_-}{RC} = 0$

$V_- = Be^{\frac{-1}{RC}t}$

V– is die totaal van die spesifieke en homogenee oplossings.

$V_- = A + Be^{\frac{-1}{RC}t}$

Om die waarde van B te vind, moet ons die beginvoorwaarde evalueer.

$t=0; \quad V_{out} = V_{dd}; \quad V_-=0$

$0 = V_{dd} + Be^0$

$B = -V_{dd}$

Dus, die finale oplossing van V- is;

$V_- = V_{out} - V_{dd} e^{\frac{-1}{RC}t}$

Vergelyker vs Op-Amps

'n Vergelyker word ook in plaas van 'n Op-Amp gebruik. Soos die Op-Amp, is die vergelykers ontwerp om rail-to-rail gedryf te word.

Die vergelyker het 'n vinniger stygingstyd en valtyd in vergelyking met die Op-Amp. Daarom is die vergelyker meer geskik as die Op-Amp vir die oscillator-sirkel.

In die geval van die Op-Amp, het dit push-pull-uitsette. Dus, as jy 'n Op-Amp gebruik, is dit nie nodig om 'n pull-up-weerstand te gebruik nie. Maar as jy 'n vergelyker gebruik, moet 'n pull-up-weerstand gebruik word.

Toepassings van Ontspanningsosilleerders

Ontspanningsosilleerders word gebruik om 'n interne klokseint vir enige digitale sirkel te genereer. Dit word ook in die toepassings hieronder gebruik.